[发明专利]一种马氏体热作模具钢及制备方法

说明书

本发明公开一种马氏体热作模具钢及制备方法，属于材料设计及加工的技术领域。所述马氏体热作模具钢基于传统热作模具钢5CrNiMoV，根据热力学计算，调整碳化物形成元素Mo和V，并添加少量微量元素Nb和稀土元素Ce，并通过两阶段等温退火处理和调质处理使得制备的热作模具钢相对于传统热作模具钢5CrNiMoV的常温性能和高温性能更加优异，显著提高热作模具的服役寿命，降低工业生产的经济成本。本发明的热作模具钢的高温热稳定性：600℃热稳硬度HRC降值为3.0‑3.2，650℃热稳硬度HRC降值为6.2‑7.8；高温热疲劳性：主裂纹长度65.10‑85.12μm，裂纹最大宽度2.86‑3.52μm。

技术领域

本发明属于材料设计及加工的技术领域，涉及一种马氏体热作模具钢及制备方法。

背景技术

热作模具钢是用于制造对高温状态下的材料进行压力加工的成形模具的原材料。热作模具钢的种类有很多种，5CrNiMoV和H13是应用最为广泛的两种热作模具钢，其中的5CrNiMoV钢是典型的低合金热作模具钢。由于5CrNiMoV钢较低的生产成本，优异的淬透性、良好的耐磨性能，广泛用于各种中大型锻锤锻模、压力机锻锤模等。

但是由于现有的5CrNiMoV钢合金含量过低，加热过程中奥氏体晶粒极易粗化，高温热稳定性和高温热疲劳性能较差，当服役温度超过600℃以后，模具表面硬度快速降低，表面极易产生疲劳源，并扩展形成疲劳裂纹，进而发生热稳或疲劳失效。

目前，国内外模具钢技术的发展主要是基于现有热作模具钢，通过调整合金成分，开发新型热作模具钢，并优化锻造、热处理工艺，从而提高热作模具钢的综合性能。

为了提升热作模具钢的综合性能，延长模具的服役寿命，常见的合金化思路是大量增加Mo、V等贵合金元素，从而提高热作模具的高温服役性能。此外，微量稀土元素的加入不仅可以细化晶粒，还以显著改善模具钢的冲击韧性和耐磨性能。但高含量贵合金元素的添加势必会带来成本高、偏析严重等问题，制约其工业化推广。

例如：中国专利CN113604730A公开了H13钢在600℃以下工作，具有良好的热稳定性和抗热疲劳性能，较好的强韧性结合，但在600℃以上，材料的强度和热稳定性急剧下降，失去了原来的优异性能。解决该技术问题的方式是通过元素调节和复杂的制备方式来实现，其中：不仅各含量较高，钼含量也较高，使得生产成本较高，且工序操作难度大，高温力学性能和热疲劳性较低。

中国专利CN113528971A公开了一种热作模具钢的制备方法，包括：将合金原料进行EBT电炉熔炼、LF精炼和VD精炼，得到合金液；将所述合金液进行模铸，得到铸件；将所述铸件进行电渣重熔、一次退火、锻造和二次退火，得到热作模具钢。其中：碳含量较低，硅锰铬含量较高，常温下的硬度和冲击功较低，采用的方法并未考虑热作模具钢的高温性能。

中国专利CN113403531A公开了高热强性高韧性热作模具钢，其中的碳硅锰钼钒的含量较低，采用的制备方法包括材料熔炼、扩散退火、锻造、锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤，显然高温性能并未考虑高于600℃的高温硬度相对于常温硬度的降值，以及高温热疲劳性能。

因此，新型热作模具钢的开发，要聚焦热作模具的服役环境特征，在不显著降低热作模具钢其他力学性能和增加生产成本的前提下，通过优化贵合金成分、含量，并制定合理的锻造、热处理工艺，显著提高其高于600℃的高温服役性能，从而提高其综合力学性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术中的热作模具钢5CrNiMoV合金含量低，奥氏体晶粒在制备过程中易粗化，高温热稳定性和高温热疲劳性能较差，特别是当服役温度超过600℃以后，模具表面硬度降低速度较快，疲劳源在模具表面大量产生，且容易扩展形成疲劳裂纹，导致热稳或疲劳失效。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：